空间数据系统咨询委员会的专业领域及其发展综述

黄薇 张乐 （北京空间科技信息研究所）



空间数据系统咨询委员会的专业领域及其发展综述

黄薇 张乐 （北京空间科技信息研究所）

空间数据系统咨询委员会（CCSDS）致力于空间数据系统的标准化，以促进空间机构之间地面与空间资源的共享，降低任务开发与集成成本。经过30多年的发展，CCSDS已经发展成为该领域事实上的标准化组织，所开发的标准得到广泛认可与应用。在此，对CCSDS的专业领域以及近期技术发展动态进行介绍与分析。

1　引言

CCSDS成立于1982年，致力于解决空间数据系统开发与操作过程中的共性问题，通过采用通用功能取代任务专用设计来降低开发费用；促进空间机构之间的互操作和互支持，通过共享设施来降低操作费用。经过30余年的发展，CCSDS已经有11个正式成员、29个观察员，涵盖了国际上所有重要空间机构。

CCSDS与其他相关国际组织保持着紧密的合作关系。CCSDS行使国际标准化组织（ISO）下属航空航天标准化技术委员会的第13分技术委员会—空间数据与信息传输系统标准化分技术委员会（ISO/ TC20/SC13）的职能，目前已经有28份CCSDS建议书被直接转换为国际标准化组织标准。机构间操作指导组（IOAG）在交互支持领域的顶层规划是CCSDS标准化工作的重要指导性输入。欧洲空间标准化合作组织（ECSS）、美国航空航天学会（AIAA）等国家或区域标准化组织也与CCSDS相互协调，保持相互之间的标准兼容性；AIAA还为CCSDS提供了秘书处支持。此外，CCSDS还积极关注对象管理组织（OMG）、国际互联网工程任务组（IETF），国际互联网研究任务组（IRTF）的工作成果，积极采纳其开发的商业标准。

目前，CCSDS已经建立了比较完整的标准体系，发布了近90本规范性建议书，涉及空间段及地面段的信息传输、信息接口、信息安全、信息交换和信息处理等。虽然CCSDS出版物被称为建议书，不具有强制性，但在实际工程中得到了广泛认可，目前国际上已有超过750个航天任务宣称应用了CCSDS建议。CCSDS已发展成为空间数据系统领域事实上的标准化组织。

2　CCSDS专业领域基本情况

CCSDS包括空间系统领域、空间信息学领域和空间信息通信领域3个技术领域，并进一步分为6个专业方向，每个专业方向都下设多个工作组或兴趣组（即工作组前身，在下图中用灰色标出）。工作组及兴趣组根据标准化工作项目的立项与结束而动态建立、解散。

CCSDS的6个专业方向如下：

1）系统工程域。负责空间任务的通信、操作以及交互支持的总体结构设计；就与体系结构有关的选择与其他域进行协调与合作；评估所有域的工作项目与所规定体系结构的一致性，是协调CCSDS各专业领域的“总体”。

2）任务操作与信息管理业务域。负责研究进行航天器操作、地面系统操作所需的应用过程及其信息管理标准，实现任务操作信息在“任务操作”系统与“任务应用”系统之间的顺利流转。主要涉及天地之间的操作，以及地面设施之间操作信息和导航信息交换与共享。

3）交互支持业务域。负责研究空间网络资源共享问题，以实现交互支持，包括在不同的交互支持接口需要实现哪些业务，以及如何识别、调度和使用这些业务。目前，其工作主要集中在地面资源（尤其是地面站）交互支持，规定了遥测、遥控以及数传业务在地面段的传输，以及相应的管理配置业务。

4）星载接口业务域。负责研究用于航天器内部的软硬件通用接口业务，以简化飞行软件和硬件协同工作方式，通过提高软、硬件的互操作性和可重用性来提高星载设备开发及航天器总体集成的工作效率，降低开发和集成成本。

5）空间链路业务域。负责开发空间链路通信系统（包括星地链路、星间链路）中物理层和数据链路层技术，用于端到端传输的数据压缩技术，以及用于定轨的测距技术。

6）空间互联网业务域。负责研究各种网络环境中的通信服务与协议，包括航天器与地基资源之间，航天器之间，航天器与着陆单元之间，以及复杂航天器内部网络环境。该业务域所关注的通信服务与协议独立于具体的链路技术和应用过程，主要涉及开放系统互联（OSI）参考模型中的网络层、传输层及应用层。

3　CCSDS的技术发展

CCSDS的早期工作主要集中在空间链路（尤其是星地链路）的射频与调制、信道编码以及空间数据链路协议。CCSDS提出了虚拟信道、分包等先进的技术理念，相比传统的脉冲编码调制（PCM）体制，为空间数据系统的设计提供了更好的灵活性，为提高动态、多用户空间信息传输效率提供了可能。经过30余年的发展，CCSDS的技术领域逐步向天、向地延伸，并关注天地一体化、网络化。传统的空间链路领域也在随着任务需求和技术进步不断发展。

向天的延伸

CCSDS虽然规定了统一的星地数据传输协议，但航天器内部软、硬件接口开发往往以任务为导向，不同任务之间星载软、硬件缺乏可重用性和可移植性。为解决上述问题，星载接口业务域进行了通用星载接口业务的开发工作，并提出了参考通信模型。通过采用分层方式实现了应用软件与硬件设备的重用性：在应用支持层规定各类空间任务通用、与具体通信方式无关的应用层功能，以实现应用软件的重用性；在子网层规定对传输介质进行访问和利用的功能定义，使用相同数据链路协议的硬件设备可直接重用；如需改变数据链路协议，可通过子网协议转换来实现对原有设备的重用。通过对子网层与应用层的标准化，实现跨子网应用之间的互操作性。从2009年起，CCSDS陆续出版了多份关于应用支持层及子网层的建议书（CCSDS 851/852/853/854/855/871/ 872/873/875/881/882系列）与技术报告（CCSDS 850.0-G-2）。

CCSDS还对无线网络通信技术在空间任务中的应用进行了研究，于2015年出版了相关技术报告（CCSDS 880.0-G-2），根据航天器内部、航天器之间、行星表面、轨道器与表面探测器以及航天器集成测试等不同应用领域的作用距离、数据速率、节点个数等特点，提出蓝牙、无线局域网（WLAN）、无线射频识别（RFID）等商业标准的应用建议。

向地的延伸

为了在空间机构之间共享地面资源，除了在星地之间采用统一标准，还需要在地面段处理好以下环节：

1）遥测、遥控、数传信息的地面传输。交互支持业务域已经开发了相关的交互支持传输业务和交互支持管理业务。交互支持传输业务基于传输控制协议/因特网互联协议（TCP/IP）实现，根据传输方向（如前向、返向）和交互支持接口（如传送帧、虚拟信道帧、包等）分为多个具体业务。其中返向全帧业务（CCSDS 911.1-B-3）、返向信道帧业务（CCSDS 911.2-B-2），以及前向通信链路传输单元（CLTU）业务（CCSDS 912.1-B-3）已经在国际空间任务交互支持中得到广泛应用。为改变之前交互支持业务管理主要依靠机构间接口控制文件的局面，并为提高业务管理的标准化及自动化，CCSDS还开展了交互支持业务管理的标准化工作，并于2009年正式出版了建议书（CCSDS 910.11-B-1），英国航天局和美国航空航天局（NASA）开发了相关的原型系统。可以预见，交互支持管理业务也会在未来得到工程应用，成为实现机构间地面交互支持的基本条件之一。

2）导航类信息地面传输。任务操作与信息管理业务域制定了针对轨道、导航、姿态、碰撞等数据信息格式的规范性建议书（CCSDS 502/503/504/508系列）。所规定格式较适合于文件传输。早期版本采用基于关键字的格式。由于可扩展标记语言（XML）格式便于计算机自动处理又兼顾人工阅读，且独立于计算机平台和软件实现，后续版本增加了XML格式。

此外，在航天器设计、研制及运行的各个阶段，需要在航天工程的多个参与方之间交换航天器遥测遥控信息的定义，例如遥测参数名称、含义、表示方法、取值范围和处理方法等。为此，任务操作与信息管理业务域制定了基于XML的遥测遥控信息交换标准（CCSDS 660.0-B-1）来提高交换效率。

天地一体化

目前，航天器软件开发与地面系统软件开发之间相互独立进行，两者之间主要靠接口控制文件来约束。当需要研制新的任务软件系统时，地面段和空间段各自基于以往任务的经验和技术状态进行设计。在这种模式下，地面段与空间段的软件开发相互割裂；虽然各个任务可能会需要类似的服务，但这些服务的定义方式以及技术实现方式不同，在任务之间缺乏可重用性。为了解决上述问题，任务操作与信息管理业务域开发了任务操作业务。其主要思想是将空间任务系统看作是由地面软硬件单元和在轨软硬件单元组成的分布式系统。地基软件和在轨软件有很强的相关性，从广义角度可以将其看作是一个分布式软件应用的两大组成部分。遵循面向服务的体系结构（SOA）设计理念，CCSDS开发了任务操作（MO）服务框架概念，定义了用于两个不同实体之间的交互模型，以及通用服务框架。目前已经出版了任务操作参考模型、消息抽象层、通用对象模型的建议书（CCSDS 520/521/523系列），法国国家空间研究中心（CNES），德国航空航天中心（DLR）和欧洲航天局（ESA）开发了相关原型系统。任务操作的设计原则已在国外地面系统设施建设以及空间任务中开始得到应用，包括CNES的空间创新标准倡导（ISIS）项目，ESA的欧洲地面系统-通用核（EGS-CC）项目，ESA使用“国际空间站”开展空间人机操作验证试验的多目标端到端自动化操作网络（METERON）项目等。

CCSDS任务操作服务框架概念

网络化

CCSDS从20世纪90年代末就开始空间互联网相关标准开发，先后制定空间通信协议规范（SCPS）系列规范、下一代空间互联网（NGSI），在CCSDS空间链路协议之上承载I P （IPoC）建议书，太阳系互联网（SSI）体系结构报告，并正在开展容延迟网络（DTN）标准项目的研究。

早期开发的空间通信协议规范借鉴了地面IP协议族的思想，针对空间通信环境进行了适应性改进。下一代空间互联网则在数据链路层沿用CCSDS建议，在网络层采用IP及其扩展技术，如资源预留协议（RSVP），移动IP等。由于缺乏工程实际需求、未得到广泛应用，除了空间通信协议规范-传输协议（SCPSTP）外，其他空间通信协议规范建议书以及下一代空间互联网建议书已废止。

在地球周围网络、行星表面及其周围网络应用IP协议可以充分利用已有基于IP的软硬件实现上层服务，多舱段在轨组网和有人参与的空间站为典型需求案例。2012年CCSDS出版了IPoC建议书（CCSDS 702.1-B-1），以解决在现有CCSDS空间链路协议之上承载IP的问题。该建议书规定IP通过封装业务实现对各类CCSDS空间链路协议的使用。考虑到IP有多种版本及导头压缩方式（如IPv4，IPv6，UDP/ IP、TCP/IP导头压缩等），除通过封装包协议标识将IP类协议与其他协议区分开外，还进一步通过IP扩展（IPE）标识区分IP子协议。该建议书仅规定协议格式和封装过程，对于在空间网络中使用IP的路由、安全以及服务质量问题并未涉及。但该建议书不禁止将IP用作网络互联协议。在地面段，可沿用CCSDS空间链路扩展协议，也可基于IP实现空间段与地面段的网络互联。

lPoC原理示意图

应IOAG的要求，CCSDS于2014年出版了太阳系互联网体系结构报告（CCSDS 730.1-G-1）。太阳系互联网覆盖地球周围及深空，行星表面探测任务的互支持需求是太阳系互联网最实际需求。该体系结构报告规定了太阳系互联网的特点及能力，包括任务功能、网络互联及高级功能3个阶段的实现途径，各阶段的基本原则，网络操作以及业务过程。该报告还提到了实现太阳系互联网的网络协议基础，即IP与DTN并存的协议体系。其中，DTN可用于所有空间网络环境，是实现太阳系互联网中各区域网之间互联的核心。IP仅可用于连接性好、传输时延相对较低的区域空间网络环境，如地球或行星表面及周围的网络。

DTN起源于1998年喷气推进实验室（JPL）开展的行星际互联网（IPN）研究，后来对行星际互联网概念进行推广和普及，淡化其“空间应用”背景，形成了名为DTN的体系结构。CCSDS于2008年成立DTN工作组，重新审视DTN在空间环境的适应性，以及现有CCSDS建议对其支持性。DTN工作组近期工作主要集中在束协议（BP）和立克里德传输协议（LTP）。目前，DTN工作组已经完成BP（CCSDS 734.2-B-1）和LTP（CCSDS 734.1-B-1）的出版。工作组后续还计划开展束安全协议，单机构管理范围内的束协议网络管理，以及可见弧段图表路由（CGR）标准开发工作。

空间链路域

近年来，空间链路域中有以下几项技术的提出值得关注：

1）高斯滤波最小频移键控+伪噪声测距（GMSK+PN）调制。即，将符合CCSDS伪码测距标准的伪码测距叠加在调制了高速数传信息的高斯滤波最小频移键控（GMSK）信号相位上。该调制方式的最大优势是可同时支持高速数传与伪噪声测距（PN），从而简化星上设备配置和工作模式。此外，该信号具有恒包络特性，对非线性信道具有较好的适应能力。该调制方式已经被纳入2015年新修订的射频与调制建议书（CCSDS 401.0-B-25）中，并计划出版相关的绿皮书。

2）可变/自适应编码调制（VCM/ACM）。对地观测下行高速链路使用Ka频段时，传输质量受大气影响，波动明显。如果按照固定编码调制，需要综合考虑地面站地理位置、当地雨衰等情况，按照最恶劣情况进行链路设计。但在信道条件好的时段，势必造成信道资源浪费。一种解决方式是采用可变编码调制，根据信道质量调整信息速率。调整可以实时进行（需要有上行信道配合），也可以采用预制方式（例如根据地面站仰角度数，或者地面站地理位置）。CCSDS于2012年出版了相关建议书（CCSDS 131.2-B-1），通过改变信道编码码率（对序列级联卷积编码进行删余）和调制阶数（QPSK/8QPSK /16APSK/32APSK/64APSK），在同样带宽实现不同的信息传输速率。

3）纠删码。由于太阳带电粒子的影响、天气变化、各类无线电干扰、天线指向误差、甚至任务后期设备老化等因素的影响，空间通信环境具有删除特性。单纯依靠提高发射功率或采用更加复杂的信道编码，很难完全解决上述问题。此外，传统信道编码位于物理层或数据链路层，无法保障应用层的数据完整性。例如，即使数据链路层误帧率很低，由此造成的星载软件代码错误对任务也会有致命影响。在时延超长的深空通信环境中，事先携带少量冗余信息、出现“漏洞”后进行恢复，比采用星地大回路重传的方式效率更高。基于上述考虑，CCSDS于2014年出版了实验性建议书（CCSDS 131.5-O-1），采用基于低密度奇偶校验（LDPC）的纠删码，运行于封装业务之上，可工作在前向纠错（FEC）或类型Ⅰ、Ⅱ混合自动请求重传（ARQ）模式。

lP与DTN共存的协议体系

4）下一代上行链路。目前空间任务上行链路速率为千比特每秒级，未来有将上行速率提高至兆比特每秒级甚至更高的需求。首先，星载软件功能越来越强大，需要较高的上行速率来保证软件更新的实时性。其次，航天器下行链路将越来越多地采用CCSDS文件传输协议（CFDP）之类的协议，需要用上行链路传输反馈信息，增加了上行链路的带宽需求。另外，对于深空任务这种距离变化范围较大的任务，上行链路设计方式可以从根据最远距离加余量的方式改为降低余量、提高发送速率。在距离远的弧段，利用CCSDS文件传输协议或重复发送信息来补偿误码性能的降低。提高上行链路速率涉及射频体制、信道编码、数据链路层协议等技术，其中核心问题是需要开发高增益、短码长的信道编码。CCSDS出版了绿皮书（CCSDS 230.2-G-1），描述了下一代上行链路的功能，应用选项以及不同选项的性能比较。并于2015年4月出版了适用于上行链路的短低密度奇偶校验编码实验性建议书（CCSDS 231.1-O-1）。

5）空间数据链路层安全。安全是空间机构之间进行互操作时非常关注的问题。目前实际任务以点到点场景为主，传送帧分别在任务中心和航天器产生与处理。在数据链路层提供安全业务，仅中心与航天器需要进行改进，开发代价相对较低，又可实现端到端保护。CCSDS计划出版数据链路层核心安全协议及扩展过程建议书。其中核心安全协议规定安全业务的具体实现，目前主要提供加密及认证业务，其中认证范围包括帧导头；而加密范围仅限于数据域，帧导头保持明文状态，以利于交互支持。CNES、ESA、NASA已经就核心安全协议各自独立开发了原型系统，进行了互操作测试，CCSDS已经于2015年9月出版了建议书（CCSDS 355.0-B-1）。扩展过程规定与安全管理有关的内容，如密钥管理，安全联盟管理，以及管理信息在空间链路的传输，预计2015年秋季提出初稿。此外，CCSDS的遥测/遥控/高级在轨系统空间链路协议建议书需要增加使用安全协议时的数据格式规定和处理流程说明，已经完成相关修订。

6）统一（下一代）空间链路协议。目前，CCSDS有4种空间链路协议适用于不同的通信场景（星间、星地）、数据速率（高速、中低速），以及业务（遥测、遥控及数传等）。随着航天器数目增加，数据速率增长，通信环境更加网络化，需要对现有空间链路协议进行改进。2013年CCSDS春季技术会议上，NASA提出开发下一代数据链路协议（2014年秋季会议开始称为“统一空间数据链路协议”），其基本思路是用一种空间链路协议替代现有4种空间链路协议。该协议既能传输低速遥控业务，也能传输高速数传业务，空间任务可根据自身需求进行裁剪使用。其设计吸取现有协议的经验教训，从版本号、航天器标识符、帧长、虚拟信道计数等方面对现有协议能力进行了扩展，提高了在线标识能力，实现成帧与信道编码的分离，并能够更直接地支持上层网络协议。2014年秋季被批准为正式项目，计划出版相关的规范性建议书以及资料性报告。相关工作仍在进行中。

7）空间激光通信。激光通信可实现比微波通信高得多的传输速率，并具有终端体积小、质量轻、功耗低以及抗干扰性强等优势，得到各空间机构的重视。NASA、ESA和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）等空间机构开展了相关的研究和演示验证。CCSDS在2014年春季会议上成立了光通信工作组，开发适合深空骨干链路（如火星至地球）、星间链路（如低轨卫星与地球静止轨道卫星之间）和低轨卫星直接对地链路的光通信调制编码技术。目前正在开展光通信物理层、信道编码及同步层蓝皮书，以及实时气象及大气特征数据绿皮书的制定。其中物理层、信道编码及同步层蓝皮书将规定低复杂度、高光子效率以及高数据速率3种技术体制，用于不同的通信场景。由于ESA、NASA在高数据速率技术体制方面存在严重分歧，预计相关建议书的成稿会推迟至2017年。

4　总结及建议

根据CCSDS的成员范围以及建议书应用情况可以看出，CCSDS非常具有广泛性。CCSDS一个重要的标准化理念是：新技术的标准化工作应在对该技术有实际需求的工程开展之前完成。只有这样，当工程项目立项时，才可能采纳新标准。因此，CCSDS对潜在的任务新需求和新技术有非常敏锐的反应，其所开展的工作一定程度代表了技术发展方向，并且与工程实践联系紧密，具有较高的权威性与时效性。此外，CCSDS还很重视所制定建议书的可实现性。按照CCSDS章程，蓝皮书（规范性建议书）只有经过两家以上机构各自独立开发原型系统、并通过了互操作测试之后才能正式发布。

我国早在20世纪80年代末期就开始了对CCSDS标准的研究与应用。在空间段，以高级在轨系统数据链路协议为代表的CCSDS空间数据链路协议在我国航天任务中得到了广泛应用；在地面段，深空测控网等地面设施也开始应用空间链路扩展等建议。此外，我国还借鉴CCSDS建议制定了相关行业标准及企业标准。但我国的应用以及标准制定还比较集中于传统空间链路域，对相关新发展动态的研究与应用相对薄弱，且存在应用标准化水平参差不齐的状况。

建议对CCSDS的发展动态进行持续跟踪；根据我国的任务需求以及技术积累情况，积极提出具有我国特色和知识产权的技术提案，参与CCSDS标准制定，提高我国在相关领域的话语权；与此同时，借鉴CCSDS在标准制定前瞻性、可实现性方面的思路与方法，提高我国标准化工作水平。

祁首冰/本文编辑

Professional Field and Development Review of CCSDS